background image

L

aboratorium  

P

odstaw  

E

lektrotechniki  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Temat ćwiczenia: 

 

 
 

Badanie Przebiegów  

Okresowych  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I

nstytut 

P

odstaw 

E

lektrotechniki i 

E

lektrotechnologii -  

 

 

 

Z

akład 

E

lektrotechniki 

T

eoretycznej   

 

 

 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 2 - 

1.

 

Cel ćwiczenia. 

Celem  ćwiczenia  jest  pomiar  podstawowych  parametrów  charakteryzujących  sygnały  okresowe, 

występujące  w  obwodach  elektrycznych,  zawierających  diody  prostownicze  oraz  badanie  i  określenie 
wpływu parametrów obwodów na obserwowane przebiegi  okresowe. 

2.

 Zakres ćwiczenia. 

Ć

wiczenie  obejmuje  badanie  stanu  ustalonego  -  okresowego  napięć  i  prądów  w  układach 

prostowniczych wielofazowych z obciążeniem rezystancyjnym oraz w układach zawierających elementy 
bierne (L, C). 

Badanie polegać będzie na : 

- obserwacji na oscyloskopie przebiegów napięcia (napięć) na odbiorniku ; 
-  pomiarze  wartości  skutecznej  i  średniej  napięcia  odbiornika  dla  różnych  parametrów  obwodu  
  i zasilania ; 
- porównanie wyznaczonych pomiarowo parametrów oraz przebiegów z  określonymi teoretycznie; 

3.

 Wstęp teoretyczny. 

3.1.

 Parametry sygnału okresowego. 

Sygnał x(t) nazywamy okresowym jeżeli istnieje liczba T, dla której dla dowolnego t 

 

( )

(

)

,

,

,

x t

x t

kT

k

0

1

2

=

+

=

±

±

 

(1) 

Okresem sygnału nazywamy najmniejszą wartość T spełniającą równanie (1). 

Podstawową  metodą  analizy  sygnałów  okresowych  jest  tzw.  analiza  fourierowska  polegająca  na 

przedstawieniu sygnału za pomocą tzw. szeregu Fouriera, którego postać wykładnicza jest następująca 

 

( )

0

k

jk

t

k

x t

c e

ω

=−∞

=

 

(2) 

gdzie : c

k

 - współczynniki wykładniczego szeregu Fouriera 

 

( )

0

k

T

1

jk

t

T

0

c

x t e

dt

ω

=

           gdzie   :

0

2

T

π

ω

=

 ; T - okres sygnału 

(3) 

Jeżeli x(t) jest sygnałem rzeczywistym to 

 

k

k

c

c

=

 

(4) 

Zapisując współczynniki 

k

c

 w postaci  

 

[

]

1

k

k

k

2

c

a

jb

=

 

(5) 

można sygnał x(t) przedstawić za pomocą szeregu trygonometrycznego, 

 

( )

{

}

cos

sin

0

0

0

1

k

k

2

k 1

x t

a

a

k

t

b

k

t

ω

ω

=

=

+

+

 

(6) 

którego współczynniki określone są następującymi zależnościami 

 

( )

( )

Re

cos

,

Im

sin

0

0

T

T

2

2

k

k

k

k

T

T

0

0

a

2

c

x t

k

t dt

b

2

c

x t

k

t dt

ω

ω

=

=

= −

=

 

(7) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 3 - 

Szereg trygonometryczny można zapisać także w innej - równoważnej postaci 

 

( )

(

)

sin

0

sk

0

k

k

k 1

x t

X

2 X

k

t

ω

ψ

=

=

+

+

 

 (8) 

gdzie : 

sk

2

2

1

k

k

k

k

2

X

a

b

2 c

=

+

=

- wartość skuteczna k-tej harmonicznej ; 

tg

k

k

k

a

b

ψ

=

 ;  

(8a) 

Podstawowymi wartościami, określanymi dla rzeczywistego sygnału okresowego są: 

- wartość średnia sygnału "wyprostowanego":

( )

T

1

ś

r

T

0

X

x t dt

=

 

(9) 

- wartość skuteczna : 

                                   

( )

T

1

2

sk

T

0

X

x

t dt

=

 

(10) 

Wykorzystując powyższe wartości określa się współczynniki charakteryzujące przebiegi okresowe: 

- współczynnik szczytu :                                        

m

s

sk

X

k

X

=

    ( X

m

 - wartość maksymalna

 ) 

(11) 

- współczynnik kształtu :  

                          

sk

k

ś

r

X

k

X

=

 

(12) 

- współczynnik zawartości k - tej harmonicznej :   

sk

sk

k

k

1

X

h

X

=

 

(13) 

- współczynnik zawartości harmonicznych :          

sk

sk

2

k

k 2

2

k

1

k 2

X

h

h

X

=

=

=

=

 

(14) 

Współczynnik  zawartości  harmonicznych  można  obliczać  posługując  się  prostszą  zależnością, 

wynikającą  z  tzw.  twierdzenia  Parsevala,  który  dla  rzeczywistego  przebiegu  x(t)  można  przedstawić 
następująco 

 

( )

k

k

k

T

2

1

2

T

k

k

0

x

t dt

c c

c

=−∞

=−∞

=

=

 

 (15) 

Przechodząc na szereg rzeczywisty (8) oraz uwzględniając (8a) (10) i (15) otrzymujemy 

 

sk

2

2

sk

k

k 0

X

X

=

=

 

(16) 

Współczynnik zawartości harmonicznych możemy wyznaczyć teraz posługując się wyrażeniem 

 

sk

sk

sk

2

2

2

2

2

sk

0

1

sk

0

2

1

1

X

X

X

X

X

h

1

X

X

=

=

 

(17) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 4 - 

3.2.

 Ogólna charakterystyka układów zawierających diody prostownicze 

Dioda  prostownicza  należy  do  najczęściej  stosowanych  w  obwodach  elektrycznych,  elementów 

nieliniowych  -  bezinercyjnych.  Jej  teoretyczną  charakterystykę  prądowo-napięciową  przedstawiono  na 
Rys.1a. 

i

d

u

d

(

)

d

u

d

0

i

I

e

1

α

=

 

i

d

u

d

 

u

d

i

d

 

a) charakterystyka teoretyczna 

b) charakterystyka zlinearyzowana 

c) charakterystyka idealna 

Rys.1 

Do analizy obwodów zawierających diody prostownicze  wykorzystuje się najczęściej charakterystykę 

idealną (Rys.1c), która przedstawia diodę jako idealny klucz zwierający lub rozcinający gałąź w miejscu 
jej  włączenia.  Stan  pracy  diody  określony  jest  kierunkiem  przepływającego  przez  nią  prądu  lub 
kierunkiem napięcia. 

Do najprostszych obwodów zawierających diody należą układy prostownicze jednofazowe jedno- lub 

dwufalowe obciążone odbiornikiem rezystancyjnym. Przykłady tych obwodów przedstawiono na Rys.2. 

a) 

R

e

(t)

u

(t)

u

D

(t)

e

(t) = E

m

sin(

ω

t

)

D

 

b) 

u

(t)

R

e

(t)

e

(t)

D2

D1

 

c) 

R

e

(t)

u

(t)

D1

D2

D3

D4

 

Rys.2 

Przebieg  napięcia  w  układzie  'a'  jest  sinusoidą  wyprostowaną  jednofalowo,  a  w  układach  "b",  "c" 

sinusoidą wyprostowaną dwufalowo. Wykresy tych przebiegów przedstawiono na Rys.3 

a) 

b) 

T

2T

E

m

e

(t)

0

-T

t

sin

m

0

E

t

ω

 

t

T

0

e

(t)

E

m

2T

3T

-T

-2T

ω

0 

= 2

ω

1

4T

sin

m

1

E

t

ω

 

Rys.3 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 5 - 

W poniższej tabeli zamieszczono podstawowe parametry przebiegów z Rys.3, oraz ich zapis w postaci 

trygonometrycznego szeregu Fouriera. 

Sinusoida wyprostowana jednofalowo (Rys. 3a) 

( )

sin

sin

sin

cos

0

0

m

1

m

2

2

k 1

E

1

2

1

e t

t

t

E

t

2k

t

2

4k

1

ω

ω

ω

ω

π

π

=

=

+

=

+

 

 

(

)

0

ω

ω

=

 

;

;

;

;

;

m

E

m

m

0

2k

2k 1

1

k

2

2

2E

2

E

a

a

a

0

b

b

0

dla

k

1

4k

1

π

π

+

=

=

=

=

=

>

 

;

;

;

.

;

;

.

k

2k

m

m

sk

ś

r

s

2

2

E

E

4

1

8

E

E

k

2

k

1 57

h

h

1

0 43

2

2

4k

1

π

π

π

π

=

=

=

=

=

=

 

 

Sinusoida wyprostowana dwufalowo (Rys.3b) 

( )

sin

cos

0

m

1

m

2

k 1

2

4

1

e t

E

t

E

k

t

4k

1

ω

ω

π

π

=

=

=

   

 

(

)

0

1

2

ω

ω

=

 

;

;

;

m

m

0

k

k

2

4E

4

E

a

a

b

0

dla

k

0

4k

1

π

π

=

=

=

>

 

;

;

;

.

;

;

.

k

k

2

m

m

sk

ś

r

s

2

E

2E

3

9

88

E

E

k

2

k

1 11

h

h

0 227

4

4k

1

2

2 2

π

π

π

=

=

=

=

=

=

 

W celu zmniejszenia tętnień "wyprostowanego" napięcia, stosuje się układy filtrujące, złożone m.in. z 

elementów biernych.  Obecność indukcyjności lub pojemności zmienia własności energetyczne obwodu, 
czego  efektem  jest  przepływ  przez  odbiornik  jednokierunkowego  prądu  w  wydłużonych,  względem 
układu bez filtru, przedziałach czasowych. Zmianie ulegają również położenia przedziałów przewodzenia 
diody,  względem  przebiegu  napięcia  zasilającego.  W  niektórych  układach  przedziały  te  ulegają 
wydłużeniu, w innych zostają skrócone. 

Ogólny schemat układu prostowniczego z filtrem wygładzającym przedstawiony jest na Rys.4 

filtr

R

u

1

(t)

e

(t)

i

(t)

u

(t)

i

1

(t)

i

0

(t)

 

Rys.4 

Teoretyczne  wyznaczenie  przebiegów  prądów  i  napięć  w  układach  prostowniczych  zawierających 

elementy bierne jest zadaniem złożonym. Jeżeli rozpatrywany jest najprostszy model diody (Rys.1c) to do 
analizy  obwodu  stosuje  się  metody  wykorzystywane  dla  obwodów  liniowych.  Diodę  można  w  tym 
przypadku zastąpić kluczem - zamykanym lub otwierany w zależności od stanu pracy (przewodzenie lub 
zablokowanie).  Podstawowym  problemem  jest  zatem  określenie  położenia  przedziałów  czasowych 
odpowiadających  tym  stanom.  Należy  jednak  stwierdzić,  że  jedynie  w  niektórych,  prostych  obwodach 
możliwe  jest  ich  dokładne  wyznaczenie.  W  większości  przypadków  otrzymuje  się  równania,  których 
rozwiązanie nie może być przedstawione w postaci analitycznej. 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 6 - 

4.

 Program ćwiczenia 

a)  Do  trójfazowego  panelu  prostowniczego  (Rys.5)  podłączyć  dwukanałowy  oscyloskop  oraz 
woltomierze − elektromagnetyczny, magnetoelektryczny oraz przyrząd uniwersalny UM-3. 

b)  Na  podstawie  wskazówek  prowadzącego  ćwiczenie  ustawić  odpowiednią  sekwencję  kluczy 

,

,

,

,

,

a1

a2

b1

b2

c1

c2

w

w

w

w

w

w

  (np.  10−10−00    -  oznacza  załączenie  kluczy 

a1

w

  i 

b1

w

,  przy 

pozostałych kluczach otwartych). Przebieg napięcia u(t) w takim układzie ma następującą postać: 

a+

b+

a+

b+

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

 

c) Dokonać pomiaru napięć w układzie przy otwartych kluczach 

,

1

2

w

w

d) Przeprowadzić pomiary z p. c) przy załączonych kolejno kluczach: 

1

w

2

w

oraz 

1

w

 i 

2

w

e)  Przerysować  obserwowane  przebiegi  z  ekranu  oscyloskopu  wykorzystując  na  przykład  kalkę 
techniczną. 

f)  Na  podstawie  zmierzonych  napięć  oraz  obserwacji  obliczyć  współczynniki  kształtu,  szczytu 
badanych przebiegów.  

g) Porównać otrzymane wyniki z teoretycznymi. 

 

R

C

L

e

a

(t)

e

b

(t)

e

c

(t)

w

a

w

b

w

c

w

a1

w

a2

w

b1

w

b2

w

c1

w

c2

w

2

w

1

D

a1

D

a2

D

b1

D

b2

D

c1

D

c2

u

(t)

V

=

V

V

 

Rys.5 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 7 - 

 

5.

 Pytania kontrolne. 

a)  Podać  zapis  sygnału  okresowego  za  pomocą  szeregu  Fouriera  w  postaci  wykładniczej  
oraz trygonometrycznej. Podać związek między współczynnikami tych szeregów. 

b) Podać parametry charakteryzujące przebieg okresowy. 

c) Ile wynosi współczynnik kształtu sinusoidy "wyprostowanej" jedno- i dwufalowo ? 

c) Jak określa się wartość skuteczną przebiegu okresowego na podstawie wartości skutecznych jego 
harmonicznych. 

d) Naszkicować charakterystyki diody półprzewodnikowej (prostowniczej). 

e) Narysować schemat jednofazowego układu prostownika dwufalowego. 

f) Naszkicować przebiegi napięcia u(t) na odbiorniku R w poniższych układach: 

R

e

(t)

u

(t)

u

D

(t)

D

  

 

C

R

i

(t)

i

c

 

(t)

u

(t)

u

(t)

e

(t)

i

d

 

(t)

D

 

R

e

(t)

u

(t)

L

u

1

(t)

i

(t)

u

D

(t)

D

   

R

e

(t)

u

(t)

L

i

(t)

D1

D2

i

1

(t)

i

2

(t)

u

D1

(t)

u

D2

(t)

 

gdzie: 

( )

(

)

sin

0

m

e t

E

t

ω

=

 

g) Jaką rolę w układach prostowniczych spełniają elementy bierne ? 

h) Przyjmując w poniższym układzie 

( )

(

)

sin

0

m

e t

E

t

ω

=

 wyznaczyć wskazania woltomierzy. 

C

e

(t)

D

V

2

V

1

V

3

 

Wskazówka: woltomierze elektromagnetyczne 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 8 - 

6.

 Analiza wybranych układów jednofazowych z prostownikiem półfalowym. 

6.1.

 Układ szeregowy RL 

Rys.6 ).

 

Po  załączeniu  napięcia 

( )

sin

m

E

t

ω

,

  przy  zerowym 

warunku początkowym i(0-) = 0, dioda spolaryzowana jest 
w  kierunku  przewodzenia.  Równanie  różniczkowe  dla 
prądu i(t) jest następujące 

( )

( )

( )

sin

m

di t

L

Ri t

E

t

dt

ω

+

=

   

(18) 

R

e

(t)

u

(t)

L

u

1

(t)

i

(t)

u

D

(t)

 

Rys.6 

Rozwiązanie równania (18) ma postać 

 

( )

(

)

sin

sin

R
L

t

m

E

i t

e

t

Z

ϕ

ω

ϕ

=

+

 

(19) 

gdzie : 

(

)

tg

2

2

L

Z

R

L

R

ω

ω

ϕ

=

+

=

(20) 

Zależność (19) obowiązuje do chwili, gdy prąd osiągnie wartość zerową. Po tym czasie dioda zastaje 

spolaryzowana w kierunku zaporowym ( u

D

 < 0

 ). Prąd w obwodzie nie płynie do czasu t = T, po którym 

następuje odblokowanie diody i cały cykl powtarza się ponownie. Można zatem stwierdzić, że wzór (19) 
obowiązuje także w stanie ustalonym w przedziałach przewodzenia diody. 

Przepiszmy wzór (19) podstawiając 

ω

t = 

λ

  

 

( )

(

)

ctg

sin

sin

m

E

i

e

Z

λ

ϕ

λ

ϕ

λ ϕ

=

+

 

(21) 

Wartość 

λ

 = 

λ

z

 , przy której następuje zablokowanie diody spełnia równanie 

 

( )

z

i

0

λ

=

 

 

stąd 

(

)

ctg

sin

cos

ctg

sin

sin

z

z

z

z

e

λ

ϕ

λ

ϕ

λ

ϕ

λ

ϕ

= −

=

 

(22) 

Wykres zależności 

λ

z

 od 

ϕ

  (dla pierwszego okresu napięcia) przedstawiony jest na Rys.7.  

ϕ

0

λ

z

U

ś

r

E

m

λ

z

0.4

0.2

0

U

ś

r

E

m

π

2

π

3
2

π

8

π

4

π

3

8

π

2

π

  

Rys.7 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 9 - 

Na  podstawie  przedstawionej  graficznie  zależności  czasu  zablokowania  diody  od  kąta  fazowego 

odbiornika 

λ

z

 

(

ϕ

) można zauważyć, że dla 

4

π

ϕ

<

 

 

( )

z

λ ϕ

π ϕ

+

 

(23) 

W stanie ustalonym wartości te są odpowiednio przesunięte - 

λ

zk 

(

ϕ

) = 

λ

(

ϕ

) + 2k

π

Na Rys.8 przedstawiono przebiegi prądu dla 

ϕ

 = 0

0

, 45

0

, 75

0

, 85

0

 dla R = 10 

  i E

m

 = 20 V 

0.5

1.0

1.5

2.0

λ

i

(

λ

 

)

0

4

π

2

π

6

π

5

π

π

3

π

0

ϕ

=

o

45

ϕ

=

o

75

ϕ

=

o

85

ϕ

=

( )

z

0

λ

(

)

z

o

45

λ

(

)

z

o

75

λ

(

)

z

o

85

λ

 

Rys.8 

Wartość średnią prądu i(t) wyznaczamy wykorzystując (21) oraz (22) 

 

( )

(

)

[

]

ctg

sin

sin

cos

z

2

m

m

ś

r

z

0

0

E

E

1

1

I

i

d

e

d

1

2

2

Z

2 R

λ

π

λ

ϕ

λ

λ

ϕ

λ ϕ

λ

λ

π

π

π

=

=

+

=

 

(24) 

 

[

]

cos

m

ś

r

z

E

U

1

2

λ

π

=

 

(25) 

Uwzględniając (23) dla 

4

π

ϕ

<

można stosować wzory 

 

[

]

cos

m

ś

r

E

I

1

2 R

ϕ

π

=

+

 

(26) 

 

[

]

cos

m

ś

r

E

U

1

2

ϕ

π

=

+

 

(27) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 10 - 

6.2.

 Układ szeregowy RL z diodą zerową   ( Rys.9). 

Analizę stanu przejściowego rozpoczynamy od  czasu 

t = 0

 zakładając, że prąd i(0-) = 0

Po załączeniu napięcia 

( )

( )

sin

m

e t

E

t

ω

=

 dioda D1 

spolaryzowana 

jest 

kierunku 

przewodzenia  

(u

D1 

> 0

) a D2 w kierunku zaporowym (u

D2

 < 0

). 

Równanie  opisujące  przebieg  prądu  ma  postać 

analogiczną, jak poprzednio (18) tzn. 

( )

( )

( )

sin

m

di t

L

Ri t

E

t

dt

ω

+

=

   

(28) 

R

e

(t)

u

(t)

L

i

(t)

D1

D2

i

1

(t)

i

2

(t)

u

D1

(t)

u

D2

(t)

Rys.9 

Rozwiązaniem równania (28) jest funkcja, 

 

( )

(

)

sin

sin

R
L

t

m

E

i t

e

t

Z

ϕ

ω

ϕ

=

+

 

(29) 

która obowiązuje podczas, gdy napięcie na diodzie D2 jest ujemne, tzn. dla  0 < 

ω

t < 

π

 . 

W  czasie 

T

1

2

t

=

  dioda  D2  zostaje  "odblokowana",  co  powoduje  równocześnie  wsteczną  polaryzację  tj. 

zablokowanie diody D1. Prąd i(t) spełnia wówczas równanie jednorodne 

 

( )

( )

di t

L

Ri t

0

dt

+

=

 

(30) 

z warunkiem początkowym w czasie 

T

1

2

t

=

+

 

 

( ) ( )

ctg

sin

m

T

T

2

2

E

i

i

1 e

Z

π

ϕ

ϕ

+ =

− =

+

 

(31) 

Rozwiązując równanie (30) (

T

2

t

>

) otrzymujemy 

 

( )

( )

( )

( )

ctg

sin

R

T

R

T

L

2

L

2

t

t

m

T

2

E

i t

i

e

1 e

e

Z

π

ϕ

ϕ

=

+

=

+

 

(32) 

Stan przewodzenia diody D2 trwa do czasu t

2

=T

, po którym dioda D1 zostaje odblokowana. Prąd i(t

spełnia równanie (30), przy warunku początkowym dla t = T 

 

(

)

(

)

( )

ctg

ctg

ctg

sin

m

T

2

E

i T

i T

i

e

1 e

e

Z

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

+ =

− =

+

=

+

 

(33) 

Zależność opisująca przebieg prądu dla t > t

2

 = T

 (do czasu ponownego zablokowania diody D1 tj. do 

T

3

2

t

3

=

) przyjmuje postać 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

sin

sin

sin

sin

R
L

R

R

L

L

t T

m

m

t T

t T

m

E

E

i t

i T

e

t

Z

Z

E

i T

e

t

e

Z

ϕ

ω

ϕ

ω

ϕ

ϕ

=

+

+

+

=

=

+

+

+

 

(34) 

Stąd warunek początkowy dla następnego przedziału (dioda D1 zablokowana) wynosi 

 

(

) (

)

(

)

ctg

ctg

sin

m

T

T

2

2

E

i 3

i 3

i T

e

1 e

2

2R

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

+ =

− =

+

+

+

 

(35) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 11 - 

Postępując  analogicznie  możemy  wyznaczyć  przebiegi  prądu  w  kolejnych  przedziałach  czasowych, 

określonych odpowiednio stanem przewodzenia diody D1 lub D2

Oznaczając: 

T

2k

2

t

2k

=

  

 

 - początkowe czasy przedziałów przewodzenia diody D1

(

)

T

2k 1

2

t

2k

1

+

=

+

 

 - początkowe czasy przedziałów przewodzenia diody D2 

oraz uwzględniając zależności (32) i (34) można napisać 

 

( )

(

)

(

)

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

sin

sin

R

2k 1

L

R

R

2k

2k

L

L

t t

2k 1

2k 1

2k

t t

t t

m

2k

2k

2k

2k 1

i t

i t

e

t

t

t

E

i t

i t

e

t

t

e

t

t

t

Z

ω

ϕ

ϕ

+

=

< <



=

+

+

< <

 

(36) 

Wartości prądów w czasach przełączania spełniają więc rekurencyjny układ równań, 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

ctg

ctg

ctg

sin

2k

2k 1

m

2k 1

2k

i t

i t

e

E

i t

i t

e

1 e

2

2R

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

+

=

=

+

+

 

(37) 

którego rozwiązanie ma postać 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

ctg

ctg

ctg

ctg

ctg

sin

sin

2k

m

2k

2 k 1

m

2k 1

E

e

2

i t

1 e

2R

1 e

E

2

i t

1 e

2R 1 e

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

ϕ

+

+

=

=

 

(38) 

W stanie ustalonym (

 

)  prąd i(t) posiada przebieg okresowy i

u

(t) , czyli 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

u

2k

u

2k 2

a

u

2k 1

u

2k 1

b

i

t

i

t

i

i

t

i

t

i

+

+

=

=

=

=



 

(39) 

Uwzględniając, że 

ctg

lim

2k

k

e

0

π

ϕ

→∞

=

, otrzymujemy

1)

 

 

ctg

ctg

ctg

sin

sin

m

a

m

b

E

e

i

2

2R 1 e

E

1

i

2

2R 1 e

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

ϕ

=

=

 

(40) 

                                              

1)

 Wartości te można otrzymać rozwiązując układ równań

ctg

ctg

ctg

sin

a

b

m

b

a

i

i

e

E

i

i e

1 e

2

2R

π

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

=

=

+

+

   

(43)

 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 12 - 

 

Zależności  opisujące  przebieg  prądu  w  poszczególnych  przedziałach  czasowych  przyjmują  zatem 

postać 

dla 2k

π

  

  

ω

t < 

(2k+1)

π

 

 

( przewodzi dioda D1); 

 

( )

(

)

(

)

ctg

sin

cos

sin

R
L

t kT

m

m

u

E

E

1

i

t

e

2

t

2R

R

1 e

π

ϕ

ϕ

ϕ

ω

ϕ

=

+

 

(41) 

dla  (2k+1)

π

  

  

ω

t  < 2

(k+1)

π

 

( przewodzi dioda D2); 

 

( )

(

)

(

)

ctg

sin

R

T

L

2

t

2k 1

m

u

E

1

i

t

e

2

2R 1 e

π

ϕ

ϕ

+

=

 

(42) 

Wartość średnia prądu w analizowanym układzie wynosi 

m

ś

r

E

I

R

π

=

   

 

stąd   

 

.

m

ś

r

E

2E

U

0 45E

π

π

=

=

  

 

 

(44) 

Można zauważyć (40), że gdy 

ϕ

 

 

2

π

 to  i

b

 - i

a

 

 0 (przebieg prądu będzie bezpulsowy). 

Na Rys.10 przedstawiono przebiegi prądu dla 

ϕ

 = 0

0

, 45

0

, 75

0

, 85

0

 przy R = 10 

  i E

m

 = 20 V 

0.5

1.0

1.5

2.0

λ

4

π

2

π

6

π

5

π

π

3

π

0

i

(

λ

 

)

0

ϕ

=

o

45

ϕ

=

o

75

ϕ

=

o

85

ϕ

=

 

Rys. 10 

W rozpatrywanym przykładzie  

 

.

ś

r

20

I

0 637 A

10

π

=

 

 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 13 - 

6.3.

 Układ równoległy RC   (Rys. 11

Najczęściej stosowanym sposobem wygładzania przebiegu 

napięcia  wyprostowanego  jest  włączenie  równolegle  do 
odbiornika  kondensatora  o  odpowiednio  dużej  pojemności 
(Rys.11). 

Po  załączeniu  napięcia 

( )

( )

sin

m

e t

E

t

ω

=

  dioda  zostaje 

spolaryzowana w kierunku przewodzenia u

D

(t) > 0

W tym stanie pracy napięcie na kondensatorze wynosi 

( )

( )

( )

sin

m

u t

e t

E

t

ω

=

=

   

 

(45) 

C

R

i

(t)

i

c

 

(t)

u

(t)

u

(t)

e

(t)

i

d

 

(t)

D

 

Rys.11 

Po  osiągnięciu  wartości  maksymalnej  s.em.  e(t)  maleje,  równocześnie  kondensator  zaczyna 

rozładowywać się przez rezystor - i

c

(t< 0. Stan ten trwa do chwili, gdy prąd płynący przez diodę i

d

(t

będzie równy zero. Oznaczając czas zablokowania diody przez t

z

 otrzymujemy następujące warunki 

(

)

(

)

z

c

z

i t

i t

0

− +

− =

   

 

czyli   

(

)

(

)

z

z

u t

du

C

t

dt

R

− = −

 

 

 

 

(46) 

Szybkość zmian napięcia na kondensatorze ograniczona jest stałą czasową obwodu RC i począwszy od 

czasu  t

z

  jest  ona  mniejsza  od  szybkości  zmian  (zmniejszania  się)  s.em.  e(t).  Powoduje  to,  że  napięcie 

ź

ródła będzie mniejsze od u(t) i dioda zostanie spolaryzowana w kierunku zaporowym -  u

D

(t) < 0

Uwzględniając, że 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

cos

sin

c

z

z

m

z

z

m

z

z

du

i t

C

t

CE

t

dt

u t

E

i t

t

R

R

ω

ω

ω

− =

− =

− =

=

 

(47) 

otrzymujemy 

(

)

(

)

cos

sin

m

m

z

z

E

CE

t

t

R

ω

ω

ω

=

 

 

stąd: 

tg

z

t

RC

ω

ω

= −

  

 

(48) 

Przewidując, że 

z

2

t

π

ω

>

, zależność określająca czas zablokowania diody przyjmuje postać 

 

arc tg

z

1

t

2

RC

π

ω

ω

=

+

 

(49) 

Po czasie t

z

 napięcie u(t) spełnia równanie jednorodne 

 

( )

( )

du t

RC

u t

0

dt

+

=

 

(50) 

z warunkiem początkowym 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

sin

z

z

m

z

m

2

R C

u t

u t

E

t

E

1

R C

ω

ω

ω

=

+ =

− =

+

 

(51) 

Przebieg napięcia dla t > t

z

 

 jest zatem następujący 

 

( )

(

)

z

t t

RC

m

2

R C

u t

E

e

1

R C

ω

ω

=

+

 

(52) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 14 - 

Stan  rozładowywania  kondensatora  określony  jest  warunkiem  u(t)  <  e(t)  i  kończy  się  wtedy,  gdy 

wielkości te będą równe, tzn. 

 

(

)

(

)

(

)

sin

t

T t

0

z

RC

0

2

R C

e

t

T

1

R C

ω

ω

ω

+ −

=

+

+

 

(53) 

gdzie: t

0

 + T

 czas ponownego odblokowania diody. 

Od  tej  chwili  przebieg  napięcia  u(t)  jest  już  przebiegiem  ustalonym  -  okresowym.  Następny  stan 

przewodzenia diody trwa do czasu  t

z

 + T

, po którym dioda ponownie zostaje zablokowana, aż do czasu 

 t

0

 + 2T

. Następnie cały proces powtarza się okresowo. 

Oznaczając 

ω

t = 

λ

ω

t

0

 = 

λ

0

ω

t

z

 = 

λ

z

∆λ

 = 

λ

z

 - 

λ

, m = R

ω

oraz uwzględniając okresowość napięcia 

w  stanie  ustalonym,  przebieg  u(t)  w  jednym  okresie  można    przedstawić  za  pomocą  następujących 
zależności: 

 

( )

( )

( )

(

)

(

)

dla

dla

sin

2k

z

m

m

0

z

m

z

0

2

u

E

2k

2k

m

u

E

e

2k

2 k

1

1 m

λ

λ

π

λ

λ

π

λ

λ

π

λ

λ

π

λ

λ

π

λ

+

=

+

<

+

=

+

<

+

+

+

 

(54) 

Równanie (53) można zapisać teraz w prostej postaci,  

 

sin

cos

2

m

m

m e

π ∆λ

∆λ

∆λ

+

=

 

(55) 

Przybliżone rozwiązanie 

∆λ

 = 

∆λ

(m) równania (55) przedstawione jest na Rys. 12 

m

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

 

Rys.12 

Wartość średnia przebiegu u(t) w stanie ustalonym wynosi:  

 

( )

(

)

cos

0

0

2

2

m

ś

r

1

E

U

u

d

1

1 m

2

2

λ

π

λ

λ

λ

∆λ

π

π

+

=

=

+

 

(56) 

background image

L

aboratorium 

P

odstaw 

E

lektrotechniki 

Badanie Przebiegów Okresowych 

 

 

- 15 - 

 

2

π

3

π

0

-10

5

0

5

10

u

(

λ

)

λ

λ

z

λ

0

+2π λ

z

+2π

∆λ

4

π

6

π

5

π

π

( )

z

m

m

2

m

u

E

e

1 m

λ λ

λ

=

+

( )

sin

m

u

E

λ

λ

=

 

Rys. 13 

Na  Rys.14  przedstawiono  przykładowe  przebiegi  napięcia  na  odbiorniku,  dla  różnych  wartości 

parametru 'm'. Sposób postępowania przy ich wyznaczaniu jest następujący: 

1.  Dla danego m wyznaczamy 

arc tg

1

z

z

2

m

t

π

λ

ω

=

=

+

2.  Na podstawie Rys.12 określamy 

∆λ

; (można również rozwiązać równanie (55)) 

3.  Obliczamy 

λ

0

 =

λ

Z

 - 

∆λ

4. 

( )

(

)

sin

z

m

m

z

0

2

m

0

z

m

E

e

dla

2k

2 k

1

u

1 m

E

dla

2k

2k

λ λ

λ

π

λ

λ

π

λ

λ

λ

π

λ

λ

π

+

<

+

+

=

+

+

<

+

 

0

-20

-10

0

10

20

u

(

λ

)

λ

4

π

2

π

6

π

5

π

π

3

π

m = 100

m = 10

m = 5

m = 1

m = 0.05

e

(

λ

)

 

Rys. 14